低温压力容器的设计重点是选材，并相应地在制造、结构上加以某些限制

本文摘自李世玉主编的《压力容器工程师培训教程》（新华出版社出版）。 购买请联系北京品都文化发展有限公司010-88616920。

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低温压力容器的设计注重材料的选择，相应地在制造和结构上也受到一定的限制。

低温压力容器受压元件所用钢材必须是镇静钢。 材料的许用应力为室温20℃时的值，强度计算方法按GB 150.3的规定。

低应力脆性断裂现象

19世纪末以来，严寒地区铁路轨道、桥梁及结构件发生了一系列低温脆性断裂事故。 由于当时科学技术的限制，对于钢材冷脆问题的研究尚未取得实质性进展。 20世纪40年代以来，许多船舶、压力容器、管道、化工设备和大型结构，特别是一些焊接结构，多次发生低应力脆性断裂，造成巨大损失。 因此，低应力脆性断裂已成为人们高度关注的课题。 通过对大量事故的调查分析，可以得出低应力脆性断裂具有以下特点。

①容器破裂时的工作压力较低，其名义破裂应力低于材料的屈服强度，破裂前没有或仅有局部极小的塑性变形。

②裂纹扩展速率大。

③低应力脆性断裂多为解理断裂或准解理断裂。 断口具有颗粒状、光亮、光滑的特点。

④低应力脆性断裂常发生在有间隙或裂纹的容器上，而瓶体本身的各种工艺缺陷和杂质是裂纹的来源。

⑤ 断裂一般发生在较低温度下，此时材料的韧性很差。

基于上述低应力脆性断裂的特点，结合断裂力学原理，对金属的断裂机理进行了分析，发现金属的低温韧性，即金属的微观塑性变形能力缺口尖端，决定了压力容器抵抗应力脆性断裂破坏的能力。

影响低温韧性的因素

(1)晶体结构的影响

试验表明，体心立方（bcc）结构的铁素体钢具有较高的脆性转变温度和较大的脆性断裂倾向，其次是六方密排结构（hcp），面心立方（fcc）金属结构。 例如铜、铝、镍和奥氏体钢基本不存在这种温度效应，即不存在低应力脆性断裂。

事实上，除非存在第二相或处于引起应力腐蚀开裂的环境中，面心立方金属一般不会发生脆性断裂。 主要原因是当温度降低时，面心立方金属的屈服强度变化不明显，不易生成形变孪晶，位错易于移动，局部应力易于松弛，裂纹产生。不易扩展，一般不存在脆性转变温度。

然而，体心立方金属则不同。 在中温区，其强度（特别是屈服强度）受杂质、加载速度和合金元素的影响十分明显。 但在0.2T0以下（T0为金属的熔点，单位为K），随着低温区温度的降低，屈服强度迅速增加，最后几乎等于抗拉强度。 特别是在低温下，容易产生形变孪晶，从而容易引起低应力脆性断裂。

(2)化学成分的影响

对于低温压力容器用钢来说，增加碳含量会增加材料的脆性，导致脆性转变温度急剧升高。 因此，低温钢的含碳量不应超过0.2%。 近年来，国外已有低温钢的开发和应用。 碳 ( < 0.15 %) 或微碳 (

锰是一种扩大奥氏体区的元素。 增加锰含量可使钢获得细小而坚韧的铁素体和珠光体晶粒，从而提高钢的低温韧性。 当碳含量一定时，增加锰比可导致非塑性转变温度降低，降低碳含量和增加锰碳比，非塑性转变温度会降低，许用使用温度钢板的厚度会减少。

镍也是提高钢低温韧性的重要元素，甚至优于锰。 当含镍3.5%时，钢在-100℃下仍能保持高韧性，而含镍9%的钢可用作液氮容器，耐-196℃低温。

含锰铁素体低温钢中添加少量V、Ti、Nb、Al等含金元素，通过轧制或后续热处理，使碳化物和氮化物弥散析出，实现沉淀强化，从而获得更好的结果。 强度高，低温韧性好。

(3)晶粒尺寸的影响

晶粒度是影响钢低应力脆性断裂的重要因素。 细晶粒不仅赋予金属较高的断裂强度，而且还降低了脆性转变温度。 这是由于晶界处存在杂质和脆性相，这通常是裂纹的根源。 。

晶粒细化，一方面相对减少了单位面积的脆性相，增加了表面能，降低了裂纹形核和扩展的概率，从而提高了钢在低温下抗脆性断裂的能力。 另一方面，细晶粒钢具有相对均匀的性能。 ，降低脆性转变温度。

(4)夹杂物的影响

磷易发生晶界偏析，钢中的氧以各种氧化物的形式在晶界析出。 两者都大大提高了钢的脆性转变温度，导致低应力脆性断裂。 因此，低温钢必须充分脱氧。 例如，镇静钢的低温韧性比沸腾钢好； 若采用Si+Al、Al+Ti(V、Nb)进行综合脱氧，可进一步细化晶粒，低温韧性较好。

充分的脱氧不仅可以有效降低氧、硫、磷等气体的含量，而且可以使夹杂物球化，减少位错的积累，从而降低钢的脆性转变温度。

试验表明，极纯金属的低温脆性与晶粒类型无关。 例如，不含碳、氮、氧或硼的纯铁即使在4K的低温下也是塑性的。 杂质（特别是晶界脆性相）对低应力脆性断裂影响很大。 例如，含25%Cr的Fe-Cr合金中微量的碳、氧和氮是促进低应力脆性断裂的重要原因。

(5)热处理和扭曲显微组织的影响

热处理对钢的低应力脆性断裂影响很大。 调质处理是获得铁素体和粒状碳化物组织的常用方法，可以显着提高钢的低温韧性。 但由于调质处理时回火温度升高，粒状碳化物聚集，影响低温韧性，因此调质处理时回火温度应严格控制，不宜过高。

正火是低温钢最常用的热处理方法。 随着钢中合金元素的增加，正火温度应相应提高。 钢的退火组织比正火组织粗大，其低温韧性远比正火或调质钢差。 因此，低温压力容器用钢不进行退火。 对于需要焊后热处理的低温压力容器及其受压元件，焊后热处理温度在任何情况下都不应超过钢材的回火温度。

热处理还具有抑制脆性相从晶界析出，改变析出相的形状、尺寸、数量和分布，使组织均匀化，提高钢的强度和低温韧性的作用。 回火组织中存在一定量的残余奥氏体或铁素体（回火马氏体），可有效防止裂纹扩展。 淬火时效和应变时效均提高钢的脆性转变温度，增加低应力脆性断裂的敏感性。 因此，对时效敏感的沸腾钢不适用于低温钢。

(6)冷变形的影响

冷变形使钢的韧性降低，应变时效使低温韧性恶化，脆性转变温度升高。 因此，对于大型高压容器，使用时必须注意缺口韧性。 由于生产过程中的冷变形、冷压、焊接变形等会引起脆化，因此冷变形和焊接后应进行低温退火。

(7)应力状态的影响

低应力脆性断裂与应力状态密切相关。 当容器内有裂纹或碎屑时，很可能发生低应力脆性断裂。 缺口越尖锐，预裂纹尺寸越大，越容易引起低应力脆性断裂。 当焊接接头存在裂纹和残余应力时，低应力脆性断裂更为明显。

防止低应力脆性断裂的设计原则

所有当前压力容器规范都使用基于室温拉伸强度或屈服强度确定的许用应力来设计低温压力容器。 这种方法可以有效防止大塑性变形造成的损坏。 为了防止按这种设计方法设计的压力容器在低温下发生低应力脆性断裂，钢材必须具有一定的韧性。 对设计和制造也提出了一定的要求。 如何确定所需的韧性水平首先取决于采用哪种原理来防止脆性断裂。

① 允许存在一定的缺陷，但可以防止裂纹。 一般来说，焊接区缺陷较多，韧性较差。 而断裂总是从缺陷和韧性差开始。 因此，在使用这一原理时，仅仅测量母材的性能是不够的。 还必须测量热影响区和熔合线的特性。 韧性最弱的区域需要承受外部载荷引起的应变。

② 允许存在缺陷，可能从韧性差的焊接区产生裂纹。 主要依靠基材来阻止裂纹扩展，避免断裂事故的发生。 但由于焊缝金属、熔合线和热影响区的韧性往往比母材差，裂纹容易沿着焊缝区域扩展，因此用这种方法来防止脆性断裂并不可靠。 。

③缺陷部位允许出现裂纹，并能阻止容器各部位出现裂纹。 乍一看，这种方法似乎是最安全的，但它有两个缺点。

首先，采用这种方法来防止脆性断裂时，必须使用韧性非常好的材料，这意味着材料成本非常高；

其次，其致命缺陷是其作为绝对安全准则的有效性与结构类型有关。

缺陷集装箱的爆破试验结果表明，在全水压条件下更容易阻止裂纹。 在气压或部分气体的液压条件下，由于系统中储存的能量较大，很难阻止裂缝或必须设计特殊的塞子。 破裂的结构。

对于石油化工、制冷空分行业的低温压力容器，内部介质常为气液两相或虽为液相，但其工作温度高于其正常沸点。 因此，不能采用止裂原理来防止低温。 应力脆性断裂。

可见，对于低温压力容器来说，防止脆性断裂最合适的方法是原则①，即防止开裂的原则。 目前世界各国压力容器规范均采用这一原则。

钢的低温韧性评价方法

自20世纪40年代钢结构的脆性断裂引起人们的关注以来，各国对钢的低温韧性的评价方法和评价指标进行了广泛的研究和试验。 其中与压力容器密切相关的试验方法有：低温冲击韧性试验（V型缺口、DVM试样）； 落锤试验； 全厚试板测试（宽板测试、双拉力测试、ESSO测试）； 断裂力学测试（平面应变断裂韧性KIC和裂纹尖端张开位移COD法）。

其中，低温夏比（V型缺口）冲击韧性试验应用最广泛，根据一定的吸收能AkV或一定的断裂纤维百分比温度（即脆性）来评价材料的低温韧性。转变温度）对应于冲击试验中一定的吸收能量AkV。 。

美国早期的ASME规范要求低碳钢和某些低合金钢制成的容器在一定温度以下运行时材料的夏比（V形缺口）（该温度与材料的厚度有关） 。 冲击试验的冲击功不小于20J。 该规定是基于大量的损坏事故和材料测试。 从当时规范推荐的钢板进行大量夏比（V形缺口）冲击试验的结果来看，钢板起裂的最大冲击功约为14J。 裂纹扩展型的最大冲击功不超过18J，大于27J则属于止裂型。

根据当时的研究成果，人们将夏比（V形缺口）冲击试验冲击功A kV=20J作为材料在最低使用温度下的韧性考核指标。 到1953年，由于使用了更高强度的钢材，临界转变温度基点移至AkV冲击功曲线的较高位置。 AkV冲击功指标为20J也不能避免脆性断裂的发生。

因此，对于高强钢，不同钢种应分别修正其指标（或附加侧向膨胀≥0.38mm）。 这一观点已反映在1977年版的ASME规范中。 表13-3列出了现行ASME VIII-1低温钢夏比（V型缺口）冲击试验的最小冲击功值。

目前，国外以20J作为低碳钢在最低工作温度或设计温度下缺口韧性唯一标准的压力容器规范有：美国ASME VIII-1和ASME VIII-2、法国规范等、德国AD规范W10使用DVM样品的冲击能量作为标准。 具体要求为：DVM样品在设计温度下的横向冲击功韧性为35J/cm²。 该值相当于使用V形缺口夏比样品。 当试验温度升高10℃时，纵向设计温度达到27J。 从钢材标准完善的数据来看，在使用相同试样类型的前提下，垂直冲击功和水平冲击功之比约为1：0.7。

我国现行钢制压力容器标准GB 150.1～150.4参考了ASME VIII-1的相关规定，因此也采用20J作为强度等级相当于低碳钢的钢材的验收标准。 对于钢板，我国标准要求根据国内钢材情况进行横向取样。 与国外纵向取样相比，冲击功要求不低于国外按规范设计的规范中对钢材韧性的要求。

低温压力容器用钢

(1)低温钢的韧性要求

①试验方法低温压力容器及其受压元件所用钢材必须进行夏比V型缺口冲击试验。

钢材冲击试验方法应符合GB/T 229《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》的相关规定。 冲击样品为10mm X 10mm X 55mm的标准样品。 若无法制备标准样品，则7.5mm的小尺寸样品应沿厚度方向（棒材沿径向）切出样品的缺口，取3个样品为一组。

②取样规则：根据需要，可对钢材进行批量取样进行冲击试验。 批次要求和样品截取应符合下列规定。

A。 每批钢板均由同一牌号、同一炉号、同一厚度、同一热处理制度组成。 每批钢板重量不得超过30t。 每批取1组样品，样品方向为横向。

b. 钢管每批钢管均由同一牌号、同一炉（槽）号、同一规格、同一热处理制度（炉次）组成。 每批钢管按直径分类：外径小于或等于76mm、壁厚小于或等于3mm的钢管每批不得超过400根； 外径大于351mm的钢管每批不得超过50根； 其他规格钢管每批根数不得超过200根。 每批中任意两根钢管各抽取一组样品。 取样位置应靠近钢管内壁，一般为纵向。 对于大口径厚壁管道，可沿切线方向取样。 应沿厚度方向切出缺口。

C。 锻件按NB/T 47009《低温承压设备用低合金钢锻件》规定的取样数量和取样位置取样。

d. 钢筋 每批钢筋均由同一牌号、同一冶炼炉号、同一截面尺寸、同一热处理制度、同一时间制造的坯料组成。 每批选取一个空白进行测试。 试样的取样方向为纵向。 对于直径不大于40mm的毛坯，试样的纵轴应位于毛坯的中心； 对于直径大于40mm的毛坯，试样的纵轴应位于毛坯半径的1/2处。

③试验温度低温压力容器用钢的冲击试验温度必须低于或等于容器或其受压元件的设计温度。 当容器或其受压元件在“低温低应力条件”下使用时，钢材的冲击试验温度必须低于或等于调整后的设计温度。

④冲击功指数 钢材在试验温度下的冲击功指数是根据钢材标准规定的最小拉伸强度确定的。 具体要求应符合表13-4的规定。 小试样的冲击功指数根据试样的宽度按比例降低。

注：试验温度下三个样品的平均冲击功应不低于表中规定值。 1个试样的冲击功值允许低于表中规定值，但不得低于规定值的70%。

(2)低温压力容器常用钢材

低温压力容器常用钢材见表13-5。

低温压力容器用钢焊材

（一）基本要求

用于焊接低温压力容器受压元件或受压元件与非受压元件的电弧焊焊条应采用NB/T47018.1~47018.7《承压设备焊接材料订购技术条件》规定的低氢碱性焊条。 。 埋弧焊焊剂应选用碱性或中性焊剂。

与低温受压元件焊接的非受压附件的焊接接头，当低温载荷较大时，受压元件的焊接接头也应遵循同样的要求； 当载荷较小时，可根据焊接性要求选择相应的焊接材料。

低温压力容器钢焊接材料的选择必须保证焊接接头含有最少的硫、磷、氧、氮等有害杂质。 特别是含镍钢的杂质含量应严格限制，因为杂质含量的增加会显着降低焊接接头的韧性。

(2)铁素体钢

铁素体钢（9%Ni钢除外）之间的焊接一般应采用铁素体焊接材料。 焊接接头的低温冲击试验温度以及焊缝金属和热影响区的低温冲击功要求与母材相同，且不应低于母材的性能。

铁素体钢之间焊接异种钢所用的焊接材料，一般根据韧性要求较高的母材来选择。 焊接接头金属的冲击试验温度不应高于两侧母材的较低温度。 异种钢焊接工艺评定和产品焊接试板的热处理状态应与容器最终使用状态相同，性能检验时应符合下列要求。

① 焊接接头的拉伸和弯曲试验要求按两侧母材要求较低者为准。

② 焊接接头低强度侧热影响区的冲击功要求应根据低强度侧母材的要求，以及低强度侧热影响区的冲击功要求。高强度侧应根据高强度侧母材的要求。

(3)奥氏体钢

奥氏体钢之间焊接材料的选择应符合下列要求。

①焊缝金属的碳含量不应大于0.10%。

②焊缝金属化学成分应符合GB/T 983《不锈钢焊条》和GB 4233《惰性气体用不锈钢棒材和焊丝》中E0-19-10、E00-19-10、E00-23-13的规定。 GB 4242《焊接用不锈钢焊丝》中对H0Cr21Ni10、H00Cr21Ni10和H0Cr26Ni21的要求。

③当设计温度低于-100℃时，焊接接头区域应按NB/T 47014《承压管道焊接工艺评定》进行低温夏比（V型缺口）冲击试验。设备”并符合表13-4的要求。

(4)铁素体钢与奥氏体钢的焊接

铁素体钢与奥氏体钢之间的异种钢焊接，一般应采用Cr23Ni13或Cr26Ni21型高铬镍或镍基焊接材料。 焊后原则上不进行消除应力热处理。 该类异种钢的焊接工艺评定和产品焊接试板应符合下列要求。

①焊接接头的抗拉强度不应低于两侧母材最低抗拉强度中的较小值。

②铁素体钢一侧热影响区的冲击功应根据铁素体钢的抗拉强度而定，并符合表13-4的规定。 焊缝金属的冲击功还应符合表13-4的规定。

③接头应进行侧弯试验，试验方法按NB/T 47016《承压设备产品焊接试件力学性能》执行。 弯曲试验后，拉伸面焊缝及热影响区不应有任何方向长度大于3mm的单一开口缺陷。 试样棱角处的开口缺陷不包括在内，而是由于未熔合、夹渣或其他内部缺陷造成的。 应考虑边缘开口缺陷的长度。

低温压力容器用钢常用焊接材料

低温压力容器用钢常用焊接材料见表13-6。

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